Как клепают заклепки на самолете

Почему в самолетах используют именно заклепки, а не сварку

Получайте на почту один раз в сутки одну самую читаемую статью. Присоединяйтесь к нам в Facebook и ВКонтакте.

Крылья, стабилизаторы, фюзеляж – все это (и не только) при сборке самолета к удивлению большинства людей, непосвященных в технические аспекты авиационного производства, крепится на какие-то сомнительные заклепки, а вовсе не на надежную «дедовскую» сварку. Почему? Это очень хороший вопрос.

Интересный факт : на корпусе современного широкофюзеляжного лайнера находится около 30 миллионов заклепок.

На самом деле все достаточно просто. Дело в том, что далеко не каждый металл использующихся в машиностроении и особенно в авиационном строении можно соединять при помощи сварки. И здесь (во всяком случае, пока) не способны ничем помочь все новые и самые инновационные технологии. Основным материалом для создания современных самолетов является титан и тугоплавкие соединения металлов на основе алюминия.

Процесс сварки подразумевает нагревание металла, а также его деформацию. Только после этого происходит соединение и затвердевание материала. Все бы ничего, но когда металлы сваривают друг с другом, становится возможным развитие такого явление, как «усталость металла». В будущем оно неизбежно приведет к разрушению конструкции. Для воздушных судов такое положение дел абсолютно не приемлемо, в том числе из-за регулярных экстремальных нагрузок на конструкцию самолета в зонах турбулентности, а также при банальном взлете или посадке.

Таким образом «примитивная» заклепка все еще остается лучшим способом соединения материалов для самолетов.

Понравилась статья? Тогда поддержи нас, жми:

Источник

ЛЕКЦИЯ 29. Способы клепки и типы заклепок, применяемых при сборке авиационных конструкций

Технологический процесс образования заклепочного соединения заключается в пластической деформации стержня заклепки с одновременным образованием замыкающей или обеих головок, включая закладную. Этот процесс в самолетостроении осуществляется тремя основными способами: ударной, прессовой и автоматической клепкой, соответственно при помощи ударов пневмомолотка, давлением поддержки пресса или раскаткой с помощью специальных машин и применением автоматического сверлильно-клепального оборудования. Клепка давлением пресса получила соответственно название прессовой клепки. Прессовая клепка имеет следующие преимущества в сравнении с ударной:

— значительно улучшаются психофизиологические условия работы клепальщиков вследствие снижения воздействия шума и вибрации;

— повышаются усталостные характеристики соединения вследствие более плотного и равномерного заполнения отверстия осаживаемым стержнем заклепки по толщине пакета;

— в ряде случаев можно отказаться от герметизации соединения, что обеспечит снижение массы конструкции;

— повышается производительность труда в 1,5…2 раза при сокращении числа рабочих на 50…75%, прежде всего, за счет групповой клепки заклепок, т.е. при одновременной клепке нескольких заклепок.

Рис. 29.1. Электромагнитная клепка стержнями с помощью электромагнитной клепальной системы, работающей по принципу синхронизированного двухстороннего обжатия

стержня: 1 – клепальные инструменты; 2 – стержень; 3 – конденсаторы; 4 – источник

Существует большое разнообразие форм закладных головок заклепки, которое можно свести к шести основным типовым группам: плоская, полукруглая, потайная (90°), плоско-выпуклая, потайная (120°) и с компенсатором. Точность обработки гнезда под головку заклепки существенно влияет на ресурс соединения.

Все заклепки классифицируют по типу головок, марке материала, диаметру и длине. Заклепки общего пользования предназначены для выполнения заклепочных соединений при ударной и прессовой заклепке.

Типы заклепок общего назначения в условиях двустороннего подхода приведены в табл. 29.1.

В зависимости от технических условий, которым должен соответ-ствовать объект сборки, заклепочные соединения панелей подразделяются на обычные, высокоресурсные и герметичные.

В современных конструкциях летательных аппаратов большое распространение получили высокоресурсные заклепочные соединения, выполняемые заклепками с компенсаторами и стержневыми заклепками. При расклепывании таких заклепок одновременно с образованием замыкающей головки компенсатор утапливается в тело заклепки клепальным инструментом. Компенсатор вызывает радиальную раздачу материала в головке заклепки и прилегающей зоне стержня. В результате полностью заполняется отверстие, как по закладной головке, так и по стержню заклепки за счет одновременного течения материала со стороны замыкающей и закладной головок. Как показали испытания, проведенные на различных режимах нагружения, заклепки с компенсаторами имеют увеличенную выносливость на срез от 2 до 6 раз, на отрыв – в 8-10 раз в сравнении с обычными заклепками. Образованные заклепками с компенсаторами соединения являются герметичными безвнутришовной или иной герметизации и сохраняют ее до разрушения. В табл. 29.2 представлены основные типы заклепок с компенсаторами, применяемые при прессовой и автоматической клепке.

Клепка стержневыми заклепками предусмотрена на автоматическом сверлильно-клепальном оборудовании – сверлильно-клепальных автоматах и установках отечественного и зарубежного производства. Цикл образования заклепочного соединения включает сжатие пакета под действием нижней силовой головки; вращение сверла и быстрый подвод его к поверхности изделия; сверление и зенкование с рабочей подачей; отвод сверла; подачу заклепки (стержня) в отверстие; клепку; зачистку закладной головки. При необходимости команда на подачу дозированного количества герметика поступает после сверления и зенкования.

При стержневой клепке стержень устанавливается в отверстие с помощью поршня 1 (рис. 29.2). Пакет сжат между верхней плитой 3, к которой приложено усилие четырех пневмоцилиндров , и нижним прижимом (усилие ). Усилие больше усилия примерно на 1000 Н. Разность этих усилий воспринимается пакетом. Усилие , приложенное к поддержке 2, значительно больше усилия клепки , и поэтому перемещение поддержки при клепке исключено. После подвода обжимки 5 образуются небольшие «бочки» с обоих концов стержня. Затем под действием усилия окончательно образуется замыкающая головка. Усилие через замыкающую головку передается на пакет и через него на верхнюю плиту. Поэтому после образования замыкающей головки на пакет снизу действует усилие + , большее усилия пневмоцилиндров . В результате пакет приподнимается вверх и отжимает верхнюю плиту. При этом происходит окончательное образование закладной головки.

Рис. 29.2. Схема клепки стержнями: 1 – цилиндр; 2 – поддержка; 3 – верхняя плита;

4 – прижим; 5 – обжимка.

В табл. 29.3 представлены два основных типа стержневых заклепок, применяемых в отечественном самолетостроении.

В отрасли с внедрением прогрессивной автоматической клепки в целях повышения надежности технологического перехода вставки заклепки в отверстие в автоматическом режиме создан ряд специальных типов заклепок со скругленной торцевой частью (табл. 29.4).

Применение при сборке прессовой и автоматической клепки соединений заклепками с компенсаторами и стержневыми заклепками позволяет значительно увеличить ресурс заклепочных соединений в сравнении с ударной клепкой и использованием заклепок общего назначения за счет упрочнения поверхности стенок отверстия деталей. Упрочнение производится за счет пластического формообразования заклепки-стержня создания напряженно-деформированного состояния в замкнутой зоне.

Вопросы для самоконтроля:

1. Какие преимущества имеет прессовая клепка перед ударной?

2. Какой принцип работы электромагнитной клепальной системы?

3. Какие основные различия в процессах установки заклепок типа ЗУ и заклепок типа ЗУКМ?

4. Какой принцип работы компенсатора заклепки?

5. Какие преимущества клепки стержневыми заклепками и заклепками с компенсаторами?

6. Какие принципиальные различия в процессах автоматической и прессовой клепки?

7. Какие перспективы применения заклепочных соединений существуют?

Источник

Почему в самолетах используются заклепочные соединения, а не сварные?

Практически все коммерческие самолеты, от Airbus A330 до Boeing 787, производятся с использованием заклепочных соединений, а не сварных. Существуют разные способы соединения двух материалов заклепками, в том числе внахлестку и стык. Однако все они так или иначе используются для постоянного и надёжного соединения двух компонентов. На первый взгляд, сварку в данном случае также можно использовать для соединения двух компонентов.

Хотя сварка существует с 1800-х годов и является эффективным способом соединения материалов, заклепки имеют несколько преимуществ в авиастроении, таких как простота осмотра, обслуживания и восстановления. А типичная малая толщина обшивки самолета также делает ее менее подходящей для применения сварных швов.

Безусловно, когда заклепки лишь были изобретены, они ковались вручную, были громоздкими и дорогими. Первая машина, способная производить стальные заклепки, была изобретена в 1836 году, и лишь в 1920-х и 30-х годах заклепки начали использоваться в самолетах. Хотя технология заклепок может показаться простой, у нее есть множество уникальных преимуществ, которые делают ее идеальной для проектирования самолетов.

Алюминий не терпит тепла

Одна из причин, по которой самолеты изготавливаются с применением заклепок, а не сварных швов, заключается в том, что алюминиевые материалы, используемые в их конструкции, не переносят тепло. Большинство коммерческих самолетов имеют алюминиевый корпус. Алюминий не только недорог и легкодоступен; он также легкий. Используя алюминий для изготовления корпусов самолетов, компании-производители авиакосмической отрасли могут создавать более легкие летательные аппараты, которые более экономичны, чем их аналоги из других металлов. Но алюминий структурно становится слабее под воздействием тепла, в том числе и тепла от сварки, поэтому большинство производителей летательных аппаратов предпочитают соединять стыки с помощью заклепок.

Заклепочные соединения прочнее

Самым большим преимуществом использования заклепочных соединений в самолетах является то, что они прочнее и долговечнее сварных соединений. Когда два компонента свариваются вместе, соединяются только внешние части компонентов. А вот заклепка соединяет два компонента изнутри, обеспечивая более прочное и долговечное соединение. Это особенно важно для самолетов, поскольку полет со скоростью до 800-900 километров в час на высоте до 12000 метров над уровнем моря создает серьезную нагрузку на соединения и стыки в корпусе самолета.

Заклепочные соединения легче проверять и обслуживать

Заклепочные соединения более просты в инспекции, чем сварные. Можно достаточно быстро осмотреть заклепочное соединение, чтобы убедиться, что два соединенных компонента надежно закреплены. В случае сварного соединения необходимо использовать машину или устройство для проверки соединяемых компонентов. Не существует легкого, простого и при этом эффективного способа визуального осмотра сварного соединения. Поэтому компании-производители авиакосмической отрасли используют заклепочные соединения, чтобы упростить процесс производства и обслуживания своих самолетов.

Даже с заклепочными соединениями некоторые коммерческие самолеты все еще имеют сварные детали. Однако для критически важных компонентов корпуса самолета заклепки предпочтительнее из-за их способности выдерживать экстремальные нагрузки, не ломаясь или не подвергаясь иным повреждениям. Для авиакосмических компаний это более безопасный и эффективный способ создания самолетов.

Типы заклепок в авиации

Как и все другие компоненты самолета, используемые в нём заклепки должны быть изготовлены в соответствии со спецификациями и внутриотраслевыми стандартами, чтобы гарантировать, что они могут выдерживать нагрузку. Заклепки входят в такие группы:

Это пять классов заклепок, которые легко доступны и могут использоваться на самолетах. Они обычно изготавливаются из алюминиевого сплава, как и корпус самолета; Заклепки из мягкой стали также используются для соединения стальных деталей в самолетах, а также заклепки 5056, сделанные из магниевого сплава, устойчивого к коррозии.

Почему бы не использовать винты или шурупы для сборки самолета?

Самая важная причина использования заклепок вместо винтов заключается в том, что заклепки намного лучше выдерживают вибрацию. При установке заклепки она расширяется и заполняет отверстие. Когда винт установлен, он поворачивается головкой и зацепляется резьбой по бокам металла, что может легко ослабить крепление при постоянной вибрации на высоких скоростях. Заклепки также значительно легче винтов, что делает их идеальным вариантом при сборке самолетов.

Источник

Заклепочные соединения в конструкциях легких самолетов

К примеру, вам нужно передать нагрузку 1000 фунтов (454 кг), при ширине конструктивного элемента в 5 дюймов (127 мм). Конструктор самолета выбирает тип соединения, наилучшим образом приспособленный к используемым материалам. Это может быть клеевое соединение дерева и композита (D), болтовое соединение всего с одним болтом (А), клепанное соединение деталей из алюминиевых сплавов с применением обычных (классических) полнотелых заклепок для двухсторонней клепки (В) или соединение с увеличенным количеством заклепок для односторонней клепки (С).

На протяжении более 50 лет клепаные алюминиевые конструкции имеют широчайший круг применения и применяются практически на всех самолетах. Они не выходят из строя при статических или повторяющихся нагрузках и не подвержены коррозии, если заклепки правильно выбраны и установлены.
Как правильно установить заклепки, можно легко понять, и конструктор должен все правильно объяснить, когда он продает чертежи или наборы для сборки алюминиевого самолета. Выбор заклепок очень прост: коммерчески доступны только заклепки из сплава 2017. Они имеют хорошую коррозионную стойкость и совместимы с алюминиевыми сплавами 2024 и 6061.
Теперь давайте посмотрим, почему они являются хорошим конструктивным крепежом. (рис. 2). Отверстие под заклепку сверлится немного больше, чтобы заклепку можно было легко вставить (E).

При установке односторонней заклепки сначала просверлите отверстие немного большего размера, чтобы заклепка могла быть легко вставлена (H). Для вытягивания стержня заклепки используется специальный инструмент для ручной клепки (он стоит 15 до 50 долларов США в зависимости от качества). Стержень имеет специальную головку, которая расплющивает заклепочную трубу, заставляет ее расти и заполнять отверстие (I). Заклепка может расти только вне соединяемого пакета, пока заклепка и головка стержня не создадут хорошо сформированную головку, хорошо опирающуюся на деталь и сжимающую части вместе. На этом этапе стержень ломается по имеющейся на ней проточке (L).
Когда мы исследуем эту одностороннюю заклепку и сравниваем ее с обычной, мы обнаружим некоторые из тех же преимуществ:
Заклепка производится под надлежащим контролем, что гарантирует вам качество материала и размеров.
Заклепка полностью заполняет отверстие, предотвращая любое относительное движение.
Закладная и замыкающая головки уплотняют и сжимают детали вместе (отсутствие коррозии, вибрационные нагрузки двигателя не влияют на заклепочное соединение, поскольку они передаются трением.)
Однако, у односторонних заклепок есть один главный недостаток. Заклепка, будучи трубчатой, имеет участок, который явно меньше в сечении, чем у полнотелой заклепки. Это означает, что одна односторонняя заклепка не такая прочная, как одна классическая заклепка такого же диаметра. Конструктор должен это учитывать и применять больше заклепок, заклепки большего диаметра или более прочный материал самой заклепки.
Многим конструкторам нравятся заклепки из нержавеющей стали, как более прочные. Но здесь существует проблема коррозии пары алюминий-сталь. В случае возникновения коррозии производится замена заклепкой большего диаметра. При использовании заклепок из нержавеющей стали, у строителя самолета также есть возможность перед установкой заклепки в отверстие погружать каждую в цинко-хромовый грунт, что несколько «загрязняет» «чистую» сборку алюминиевых конструкций.

Переход к большим диаметрам заклепок часто является проблематичным, поскольку большие заклепки становится трудно установить вручную и требует применение дорогого и громоздкого инструмента. Следовательно, если принято решение использовать односторонние заклепки, а не обычные, у конструктора не остается иного выбора, кроме как увеличить количество заклепок. Хорошее правило, которое следует использовать, заключается в том, что количество заклепок должно быть увеличено примерно в следующей пропорции 5 односторонних заклепок вместо 3 обычных.
На самом деле, это не всегда применимо для тонкостенных конструкций легких самолетов, так как большинство заклепок используется на обшивке, для которой требуется относительно небольшой шаг заклепок (расстояние между заклепками), чтобы обеспечить плотное прилегание обшивки к каркасу. Таким образом, конструктору приходится устанавливать односторонние заклепки не из условия обеспечения передачи усилий и необходимой прочности, а из критерия выбора необходимого шага для обеспечения надлежащего прилегания обшивки к силовому набору для обеспечения качественной аэродинамики и хорошего внешнего вида.
Мы привели пример заклепки Avex, потому что это реально качественная заклепка по доступной цене. Стоимость заклепок Avex составляет приблизительно 8 центов за заклепку против цены от 30 центов до 1 доллара за аналогичную заклепку Cherry. Вы, надеюсь помните, что вам нужно от 4000 до 8000 заклепок на самолет. Еще один очень определяющий фактор при выборе заклепок Avex заключается в том, что они имеют один типоразмер для разных пакетов соединений. Так для соединения от 0 до 1/4 дюйма (6 мм) применяется один типоразмер против 4-х у заклепок Cherry. Это очень важный фактор для предотвращения ошибок и брака и должен сильно влиять на решение конструктора сделать изделие максимально простым и надежным для строителя.
Есть еще одна проблема односторонних заклепок. Втулка заклепки защищена от коррозии, но как насчет стержня? Он стальной и фосфатированный, что является правильной защитой, но, очевидно, там, где ломается, защиты нет. Будет ли он ржаветь? Любое гальваническое покрытие например, фосфатирование стали или анодирование алюминия, имеет радиус действия около 1/8 дюйма (3 мм) за пределами защищаемой зоны. С заклепками Avex сломанная часть составляет максимум 1/16 дюйма (1,6 мм), и обширный опыт подтвердил, что это не составляет проблемы. Самолет Zenith CH 200/300, собранный с применением заклепок Avex по-прежнему выглядит новым после более чем двух десятилетий хранения вне помещения.
В этой статье мы не даем никаких конкретных параметров прочности заклепок на срез, просто некоторые усредненные значения. Каждый конструктор несет ответственность за получение тех параметров, которые, по его мнению, могут быть последовательно достигнуты строителями и это учитывает многие вещи, такие как базовая концепция проектирования самолета, применяемые материалы, условия их работы и т. д.). Тем не менее, я чувствую себя обязанным предупредить некоторых конструкторов, что прочностные характеристики, указанные производителями односторонних заклепок в каталогах, следует также воспринимать критически. Производитель никого не обманывает и дает реальные характеристики заклепок. Например, когда они проводят испытания, они используют очень тонкие листы, так что стержень также включается в работу на срез (рис. 4), что является причиной того, почему в данной ситуации прочность на срез выше, чем у классической заклепки, так как в работе участвует стальной стержень. Но на нашем самолете это встречается сравнительно редко. Как правило, надежное значение прочности заклепки на срез должно составлять половину заявленной производителем. Но опять же, конструктор должен провести испытания. Например, когда я провожу испытания односторонних заклепок, я просто выбиваю стержень перед испытанием, чтобы получить надежный результат!

На рисунке 4 показан пример некачественного заклепочного соединения односторонней заклепкой. Обратите внимание на то, что замыкающая головка не сформирована полностью. В таком случае есть вероятность выпадения стержня.
Используйте правильные заклепки, и вы будете очень довольны результатами!

Источник